К.т.н. Вольчев А.В.

Одесский национальный морской университет

Влияние окружающей среды на сопротивление усталости

Совместное действие механических нагрузок и коррозионных сред приводит к значительному сокращению срока службы деталей машин и аппаратов. Причины этого явления видят в том, что при работе в коррозионных средах увеличивается скорость распространения усталостных трещин [3, 7]. Независимо от индивидуальных свойств металлов, чем агрессивнее среда, тем больше скорость развития усталостной трещины, следовательно, меньше сопротивление усталости и ниже предел ограниченной выносливости.

Вместе с тем следует отметить, что сопротивление усталости в воздухе можно рассматривать как частный случай коррозионной усталости. Так, повышение относительной влажности воздуха с 58 до 100 % вызывает понижение предела ограниченной выносливости деталей из стали 45 на 12 % (см. таблицу)

Условия атмосферной коррозии	Предел ограниченной выносливости на базе 2х10^7 циклов
	МПа	%
Воздух комнатный с относительной влажностью 58 %	296	100
Воздух комнатный с относительной влажностью 100%	262	88
То же в присутствии SO2	241	81

Комнатный воздух практически не вызывает видимой коррозии. В атмосфере, насыщенной парами воды, образцы заметно корродируют. В этом случае тонкий слой продуктов коррозии легко удалялся, что свидетельствует о слабой их сцепляемости с металлом, более интенсивной коррозии подвергаются образцы во влажном воздухе в присутствии сернистого газа. На образцах за время испытания успевал образоваться сравнительно толстый слой продуктов коррозии, имеющий заметное разрыхление в зоне максимальных напряжений.

Ряд металлов в вакууме обладает более высокими характеристиками сопротивления усталости, чем в воздухе. При переходе от инертной среды к атмосфере воздуха снижение сопротивления усталости сплавов на основе железа может достигать 5—10 %. а на основе магния и свинца эта величина может быть значительней. Например, плоские образцы из стали 10 при симметричном изгибе в вакууме обладают заметно большим сопротивлением усталости, чем в атмосфере воздуха. Между тем, сопротивление усталости образцов из кремнистого железа, стойкого к атмосферной коррозии, в воздухе и в вакууме одинаковое. Это связывается с коррозионным воздействием влаги воздуха на металл, проявляющимся как в период зарождения, так и в период развития усталостных трещин. Приведенные данные позволяют утверждать, что атмосфера воздуха является не инертной средой. Следовательно, понятие «чистая усталость», которое иногда относится к испытаниям в воздухе, является условным. Тем не менее, сопротивление усталости в атмосферных условиях можно принять за эталонное, по отношению к которому оценивать действие более агрессивных коррозионных сред [1, 3, 7].

В процессе эксплуатации деталей машин на циклически деформируемый металл могут воздействовать различные среды: 1) поверхностно-активные; 2) электрохимически активные; 3) расплавы электролитов; 4) расплавы металлов; 5) газообразные. Такое деление эксплуатационных сред не бесспорно, так как можно выделить следующие три основных процесса, происходящих на границе раздела фаз «деформируемый металл — агрессивная среда», свойственных всем перечисленным выше группам сред: адсорбционный, диффузионный и коррозионный. При оценке работоспособности детали в агрессивных средах эти процессы обычно можно оценить лишь интегрально.

В свою очередь, электрохимически активные среды, к которым относятся растворы электролитов, можно разделить на нейтральные, щелочные, кислые, окислительные и др.

Нейтральные растворы электролитов являются переходным звеном от относительно мягких атмосферных условий к наиболее агрессивным. Разграничение усталостных процессов в атмосферных условиях и нейтральных растворах электролитов в некоторой степени условно, так как коррозионные процессы, протекающие на поверхности напряженного металла в этих средах, имеют в ряде случаев близкий механизм. В месте с тем возможное влияние обычной коррозии на сопротивление усталости металлов сближает нейтральные растворы электролитов с более агрессивными средами.

Каждая категория сред имеет характерные особенности воздействия на металл в процессе эксплуатации. Так, в растворах поваренной соли, относящихся к нейтральным средам, заметное снижение сопротивления усталости связано с увеличением эффективности действия хлор ионов, которые разрушают относительно слабую защитную пленку, возникшую на дне и внутренних стенках коррозионных трещин. Кроме того, увеличение скорости разрушения может быть связано с большим проявлением эффекта накопления продуктов коррозии в щелях, т.е. их расклинивающим действием [1]. Щелочные растворы с железом не дают растворимых окисей и гидроокисей, и, следовательно, защитная пленка для этих металлов не только не растворяется, но и наоборот, становится более устойчивой за счет уменьшения растворимости пленки. Проявление этого эффекта наблюдалось при исследовании коррозионной усталости стали Ст 3 в 3 % -м растворе NаС1 и 3 % -м растворе NаС1 + 0,1 Н х КаОН. Полученные данные свидетельствуют о том, что подщелачивание раствора хлористого натрия практически устраняет разрушающее влияние среды.

Кислоты являются наиболее сложными коррозионными средами [6]. Относительно высокая потеря сопротивления усталости в них связана с высокой эффективностью специфических пар. В кислых средах возможно водородное охрупчивание, которое может вызвать наряду с уменьшением сопротивления усталости уменьшение пластичности металлов.

Влияние коррозионной среды на усталость тесно связано с характером и скоростью коррозии. Проведенные исследования позволили установить, что локализация коррозионного процесса способствует зарождению и развитию коррозионно-усталостных трещин, а рассредоточение очагов коррозии (более равномерная коррозия) активизирует процесс разрушения в меньшей степени.

Коррозионная среда может оказывать положительное и отрицательное влияние на сопротивление усталости металлов в широком интервале напряжений [5].

При относительно высоких уровнях напряжений, когда механизм разрушения близок к механизму чистой усталости, для ряда металлов наблюдается положительное влияние коррозионной среды. Механизм такого явления связывается с охлаждающим действием среды. Роль этого фактора уменьшается по мере снижения уровня напряжений до значений, отвечающих пределу циклической упругости металлов [3]. При относительно большом количестве циклов нагружения и сравнительно небольших уровнях напряжении (практически важных для большинства металлов) наблюдается отрицательное действие среды. Коррозионная среда, как правило, способствует увеличению количества трещин и в отдельных случаях может изменить их характер.

К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал по коррозионной усталости в средах различной агрессивности. Однако еще многие вопросы теории данного явления остаются спорными, есть и такие, которые вовсе не получили объяснений что требует проведения новых исследований как в направлении расширения объектов исследования, так и в направлении расширения диапазона свойств коррозионных сред.

До настоящего времени не сложилось единого мнения о механизме коррозионной усталости. Трудности заключены в сложности этого вопроса, недостаточном количестве экспериментального материала по изучению природы явления.

Чисто визуально этот процесс можно охарактеризовать как хрупкое разрушение материала без признаков пластической деформации. Наряду с этим наблюдается также коррозионное поражение поверхности металла. Детализация причин, вызывающих эффект коррозионно-усталостного разрушения применительно к коррозионным средам — электролитам, позволила установить наличие связи с электрохимическим процессом коррозии, особенно на первых стадиях его развития.

Циклические нагрузки в процессе коррозионной усталости металлов вносят ряд характерных особенностей в процесс развития трещин. Так, одни и те же участки нагружаемой детали первую половину цикла нагружения воспринимают только растягивающие напряжения, а вторую — сжимающие. В результате возникает трение на внутренних сторонах трещины, и механически разрушаются защитные пленки. Одновременно под действием сжимающих напряжений электролит выдавливается из щелей, при последующем раскрытии которых под действием растягивающих напряжений в них будут попадать свежие порции коррозионной среды. Естественно, что постоянное разрушение защитных пленок и интенсивное перемешивание раствора внутри трещин может резко повысить эффективность специфических пар Эванса при коррозионной усталости по сравнению с коррозионным растрескиванием. Скопившиеся внутри трещин продукты при коррозионно-усталостном разрушении вызывают еще один принципиально новый эффект. Они могут сыграть роль клина и образовать рычаг при действии сжимающих напряжений, что значительно облегчает стадию чисто механического развития трещины. Кроме того накопление продуктов коррозии в трещинах будет препятствовать полному их закрытию, и способствовать постоянному нахождению раствора электролита в трещине.

Коррозионно-усталостное разрушение представляет собой сложный процесс, включающий стадии зарождения микротрещин и их последующего развития. Экспериментально установлено [7], что коррозионно-усталостные трещины зарождаются от питтингов или точечных язв округлой формы после того, как последние достигнут определенной глубины, примерно 0,1 мм [5]. В процессе роста такие трещины на круглых образцах изменяют свою форму: у неглубоких трещин она близка к полуокружности, а при дальнейшем развитии приближается к полу эллипсу. Это объясняется неодинаковой величиной интенсивности напряжений по контуру растущей трещины.

Весь процесс коррозионно-усталостного разрушения представляет собой несколько стадий. Первая - зарождение коррозионно-усталостных трещин - может происходить только при совместном действии циклических напряжений и электрохимического процесса. Подрастание трещины происходит также при совместном влиянии этих факторов. На последующей стадии рост трещин

обусловлен циклическими пластическими деформациями в их вершине, так как в результате скорости роста трещин влияние коррозионной среды не успевает проявиться. Следовательно, роль коррозионной среды существенно различна в период зарождения трещины и при дальнейшем ее распространении.

Непосредственные доказательства влияния сред на микромеханизм подрастания трещины были получены при электронно-фрактографическом анализе излома [6].

На поверхности разрушения, соответствующей подрастанию трещины в воздухе, преобладающими являются нерегулярные, с многочисленными разрывами бороздки, характерные для усталостного подрастания трещин в высокопрочных сталях. Присутствие среды заметно меняет микроструктуру излома. В растворе олеиновой кислоты усталостные бороздки уступают место бесструктурным окольным фасеткам, наличие которых обусловлено, по видимому, нерегулярным подрастанием трещины при резко уменьшенной пластической деформации. Еще более резко меняется характер подрастания трещины под воздействием дистиллированной воды. Для этого случая типичными являются четко очерченные хрупкие фасетки, которые подчеркиваются частыми поперечными вырывами (вторичными трещинами) и во многих случаях декорированы следами коррозии.

Усталостные испытания образцов круглого сечения из конструкционных сталей на круговой изгиб в коррозионной среде [6] показали, что уже сравнительно неглубокие коррозионно-усталостные трещины способны продолжать рост без среды при напряжении значительно ниже предела выносливости на воздухе (). Это имеет практическое значение в случае, когда детали машин подвергаются периодическому воздействию коррозионной среды, поскольку трещина, зародившаяся при ее воздействии, будет продолжать распространяться на воздухе при той же нагрузке и приведет к разрушению детали.

Определяющее значение в процессе роста усталостной трещины при невысоких коэффициентах интенсивности напряжений К_1с отводится механизму локального разрушения под действием окружающей среды, а при высоких — механизму конечной пластической деформации вблизи конца трещины [1; 4-5]. Период наиболее активного воздействия среды иногда связывают с пороговым значением коэффициента интенсивности напряжений К_1SCC. Если максимальное значение коэффициента интенсивности напряжения в цикле ниже К_1SCC, коррозионная среда перестает играть роль в развитии трещин. Например, на образцах из высокопрочных конструкционных сталей наибольшее влияние среды наблюдается при величине размаха коэффициента интенсивности напряжений К около 14 МПа. По мере возрастания К выше этой величины влияние среды снижается. Скорость роста усталостной трещины в образцах из сплава 5456—Н117 в морской воде оказывается в два раза выше, чем на воздухе при одинаковых значениях размаха коэффициента интенсивности напряжений. Влияние морской воды на усталостное разрушение больше сказывается при низких уровнях напряжений.

С точки зрения некоторых ученых, зарождение трещин происходит за счет межкристаллитной коррозии по границам зерен [7]. Другие исследователи считают, что возникающие трещины растут сначала по телу зерна, затем, достигая границ зерна, распространяются межкристаллитно. На практике чаще отмечается межкристаллитный характер коррозионного разрушения. Это объясняется тем, то обследование образцов обычно проводится на поздней стадии развития трещин, когда они уже достигли границ зерна и распространяются межкристаллитно. По-видимому, трещины могу распространяться по зернам и между ними. В некоторых случаях их распространение обусловлено комбинацией обоих механизмов. Механизм процесса часто диктуется металлургическими факторами, иногда определяющим становится окружающая среда.

Известна силовая трактовка воздействия среды на деформированный металл. При (где - напряжение отрыва; - максимальное скалывающее напряжение) развитие трещины происходит вследствие разрыва межатомных связей в вершине трещины. В закаленной на мартенсит высокоуглеродистой стали значительно возрастает, а несколько снижается из-за экранирующего воздействия растворенного углерода и уменьшается, при этом наибольшее ослабление межатомных связей в вершине трещины под воздействием среды облегчает ее развитие. В отожженной стали, уменьшается концентрация растворенного углерода в решетке, что значительно понижает , несколько увеличивает и приводит к повышению . При трещина развивается главным образом в результате сдвигов в наиболее благоприятно ориентированных плоскостях скольжения, вызывающих появление микротрещин спереди вершины магистральной трещины. Молекулы среды не могут проникнуть к этим микротрещинам и облегчить их продвижение навстречу магистральной, вследствие чего адсорбционное воздействие среды на деформируемый металл уменьшается.

Общая схема изменения диаграммы усталостного разрушения в результате воздействия коррозионной среды показана на рис.

Рис. Схема изменения диаграммы циклической

трещиностойкости в результате воздействия агрессивной среды.

S-образный характер кривой изменения скорости роста трещины в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений, соответствующий инертной среде, может существенно видоизменяться при испытаниях в агрессивной среде. При малых значениях К может наблюдаться резкое увеличение скорости роста трещины, причем оказывается, что является чувствительной характеристикой среды, аналогичной, характеризующей пороговое значение К₁, при длительном статическом нагружении в среде. Ниже коррозионная среда не способствует усталостному разрушению.

Область II характеризуется сильной зависимостью от среды и меньшей зависимостью от напряжений, чем область 1.Для некоторых систем металл -среда подверженных коррозионной усталости, возможно наличие плато в этой области.

В области III можно наблюдать три различных характера развития трещины. Первый показанный кривой А, соответствует дополнительному эффекту ускорения скорости роста трещины под действием среды. Второй отвечает отсутствию этого дополнительного эффекта: кривая В расположена выше кривой для инертной среды С, но параллельна ей. Третий характеризуется постепенным сближением кривой коррозионной усталости В с кривой С, свидетельствующим об исчезновении эффекта коррозионной усталости при высоких значениях К.

Экспериментальные исследования влияния водной среды на рост усталостных трещин в высокопрочной стали, подкрепляют высказанные положения [6]. Исследования усталостного разрушения стали 45ХН24МФА при различных условиях нагружения в дистиллированной воде показали, что во всем диапазоне К и для всех частот иагружения скорость распространения трещины и в дистиллированной воде существенно выше, чем в воздухе, а с понижением частоты действие водной среды усиливается. Частота приложения нагрузки является одним из факторов, оказывающих значительное влияние на сопротивление усталости, В результате воздействия частоты нагружения в области типичных для общего машиностроения частот от 1 до 100 Гц долговечность детали в воздухе может измениться на порядок и более [2].

Несмотря на многочисленные исследования процесса коррозионной усталости, по которым можно установить существенные признаки, качественно отражающие отличие коррозионной усталости от усталости в воздухе, количественные зависимости изменения сопротивления усталости материалов и деталей машин под влиянием коррозионных сред изучены мало.

Относительно слабое развитие исследований электрохимических факторов в механизме коррозионно-усталостного разрушения, противоречивость и неточность количественных оценок собственно коррозионной усталости сдерживают развитие представлений о процессе разрушения в агрессивных средах и создание аналитических методов расчета деталей машин и аппаратов на прочность при действии коррозионных сред.

До недавнего времени не было единого мнения о том, существует ли предел коррозионной выносливости при длительном действии переменных напряжений [3; 5; 7]. Многие исследователи придерживаются мнения, что с увеличением времени воздействия среды при циклическом нагружении детали происходит непрерывное снижение сопротивления усталости [3; 5]. Трещины усталости могут формироваться при = 40 МПа. что составляет 0,05 для сталей в ннзкоотпущенном состоянии (НRС 47) и 0,14 — в нормализованном [7]. Наряду с этим существует точка зрения, что снижение напряжения с увеличением числа циклов для сталей в интервале долговечности от 10 до 55 млн. циклов прекращается, и кривые усталости могут асимптотически приближаться к некоторым горизонталям, как кривые в воздухе [3]. Основанием для такой трактовки вопроса послужило представление и том, что при воздействии среды на поверхности детали образуются окисные пленки, которые якобы предохраняют деталь от воздействии агрессивной среды. Однако дальнейшими исследованиями было установлено, что при действии переменных напряжений они разрушаются, и поверхность детали подвергается действию среды.

В настоящее время общепринято, что в коррозионных средах материалы и детали машин не имеют физического предела выносливости в реальной области долговечностей. Оценку сопротивления деталей машин совместному действию циклических напряжений и коррозионной среды осуществляют по левой ветви кривой усталости. В связи с этим особое значение приобретает выяснение вопроса о форме кривых коррозионной усталости и применение статистических методов анализа результатов усталостных испытаний.

Литература

1. Васерман Н. Н., Меркушев В. А., Неманов М. С. Исследование и моделиро

вание кинетики развития коррозионно-усталостных трещин // Физ.- хим.

механика материалов.-1977.-№3.-С. 11-15.

2. Зависимость характеристик выносливости от частоты циклического нагру

жения /Н. В. Олейник, М. Г. Стакян, В. И. Заболотный, А. В. Вольчев // Изв.

вузов. Машиностроение.- 1977.-№ 3.- С. 38-43.

3. Карпенко Г. В. Избранные труды: В 2 т. Т. 1. Физико-химическая механика

конструкционных материалов. К,: Наук. думка, 1985.- 228 с.; Т.2. Работо

способность конструкционных материалов в агрессивных средах. К.: На

ук.думка, 1985.-240 с.

4. Панасюк В. В., Ратыч Л. В., Дмытрах И. Н. Зависимость скорости роста ус

талостной трещины в водной коррозионной среде от электрохимических

условий в вершине трещины // Физ.-хим. механика материалов,-1983.- №4.-

С. 33-37.

5. Петров Л. Н. Коррозия под напряжением.-К.: Вища шк.,1986.-144с

6. Романив О. Н., Никифорчин Г. Н., Вольдемаров А. В. Кинетика и механизм

роста коррозионно-усталостных трещин в сталях ферритно-перлитного

класса // Физ.хим. механика материалов.- 1983.-№ I.- С. 29-39.

7. Чаевский М. И. Введение в физику прочности, пластичности и разру-

шения материалов, деформируемых в агрессивных средах //Сопротивление

материалов в агрессивных средах.-Краснодар, 1977.-Вып. 240/5.- С. 5-17.